Tragflügel, insbesondere Flugzeugflügel oder Segel

Die Erfindung betrifft einen Tragflügel, insbesondere einen Flugzeugflügel oder ein Segel oder dergleichen, an dem bei einem stirnseitigen Anströmen eine Kraft mit einer Kraftkompo­nente in Anströmrichtung und mit einer dazu senkrecht stehenden Kompo­nente in Auftriebsrichtung angreift.

Derartige Tragflügel sind in entsprechenden Dimensionierungen für Luftfahrzeuge oder Segelboote bekannt. Üblicherweise besitzen die Tragflügel im Querschnitt eine langgezogene Tropfenform. Die Tragflügel können formstabil sein, wie ein Flugzeugflügel, oder formflexibel, wie ein Segel oder ein Gleitfallschirm. Die Grundprinzipien, nach de­nen der Auftrieb an einem Tragflügel entsteht, sind bekannt. Der Tragflügel wird von der Luft angeströmt, wobei er den Luftstrom in einen oberen und in einen unteren Luftstrom teilt. Aufgrund seines Querschnittprofils strömt die Luft an seiner Oberseite mit einer größeren Geschwindigkeit als an der Unterseite des Tragflügels. Durch den Ge­schwindigkeitsunterschied entsteht eine resultie­rende Kraft an dem Tragflü­gel, die eine nach oben weisende Komponente (Auftrieb) besitzt.

An der in Anströmrichtung hinten liegenden Kante des Tragflügels befindet sich eine sogenannte Abreißkante, an der eine Grenzschichtablösung der um­strömenden Luft stattfindet. Hinter der Abreißkante treten Verwirbelungen der Luft auf. Bei Tragflügeln für Flugzeuge tritt nun das Phänomen auf, daß bei bestimmten Anströmwinkeln der Tragflügel und geringen Anströmge­schwin­digkeiten die Abreißkante von der hinteren Tragflügelkante entgegen der Anströmrichtung in einen zentralen Bereich des Tragflügels wandert, dabei bilden sich Wirbel auf der Tragflügeloberseite. Durch diese Wirbel wird die effektive Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite des Tragflügels herabgesetzt; als Folge davon nimmt der Auftrieb ab.

Bei Flugzeugen kann dieses Phänomen der wandernden Abreiß­kante an einem Tragflügel auftreten, so daß es zu einem sogenannten Abkippen des Flugzeuges über diesen Tragflügel kommt. Bei formflexiblen Tragflügeln wie Segeln entsteht ein Flattern im Wirbelbereich, wodurch einerseits der Auftrieb stark vermindert ist und andererseits das Material, aus dem der Tragflügel besteht, stark belastet ist und schnell verschleißt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tragflügel zu schaffen, der einen möglichst guten Auftrieb des Tragflügels auch bei ungünstiger Stellung und geringer Anströmgeschwindigkeit gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Tragflügel nach Schutzan­spruch 1 gelöst. Danach ist bei einem Tragflügel der eingangs genannten Art vorgesehen, daß auf seiner in Auftriebsrichtung weisenden Seite mindestens ein flächiges, flexibles Folienelement angeordnet ist, das mit seinem stirnseitigen Ende abspreizbar an dem Tragflügel befestigt ist.

Unter dem Begriff Tragflügel werden alle aerodynamisch auftriebserzeugenden Körper verstanden. Er umfaßt außer Flugzeugflügeln und Segeln insbesondere auch Drehflügel wie Hubschrauberrotorblätter, die Blätter von Luftschrauben oder Rotoren.

Der Tragflügel besitzt ein oder mehrere flächige, flexible Folienelemente, die mit ihrem stirnseitigen, in Anströmrichtung weisenden Ende an dem Tragflügel be­festigt sind. Die Folienelemente sind flächig und aus einem flexiblen Mate­rial hergestellt. Die Folienelemente verhindern ein Ablösen der Abreißkante von der hinteren Kante des Tragflügels. Wenn die Anströmbedingungen, beispielsweise Anströmgeschwindigkeit oder Anströmwinkel derart sind, daß bei gegebener Geometrie des Tragflü­gels die Abreißkante sich von der hinteren Tragflügelkante löst und ins Zen­trum des Tragflügels wandert, ge­rät das Folienelement in das mit der Ab­reißkante verbundene Wirbelfeld. Dies bewirkt, daß das Folienelement sich von der Oberseite des Tragflügels ablöst und eine abgespreizte Stellung einnimmt, wodurch die anströmende Luft umgelei­tet wird. Das abgespreizte Folienelement bildet für die umströmende Luft eine erneute Abreißkante, so daß die Ab­reißkante nicht weiter entgegen der An­strömrichtung wandert. Dies hat zur Folge, daß eine Auftriebskraft auch bei ungünstigen Strömungsverhältnissen erhalten bleibt. Mit anderen Worten heißt dies, daß durch die Verwendung eines oder mehrerer flächiger, flexibler Folienele­mente auf der in Auftriebs­richtung weisenden Seite eines Tragflügels eine Anpassung des Tragflügels an die Strömungsverhältnisse stattfindet, die ei­nen Auftrieb auch unter un­günstigen Bedingungen gewährleistet.

In einer besonders bevorzugten Weiterführung der Erfindung ist die Breite des Folienelements in Anströmrichtung derart bemessen, daß das Folienele­ment bei hohen Anströmgeschwindigkeiten an der in Auftriebsrichtung wei­senden Seite anliegt und bei geringer werdender Anströmgeschwindigkeit sich aus seiner Anlage an dem Tragflügel löst. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß das Folienelement zu dem Tragflügel hin vorgespannt ist. Dadurch liegt das Folienelement auch bei keiner oder nur einer langsamen laminaren Strömung sicher an dem Tragflügel an und geht erst dann in den abgespreizten Zustand, wenn es von den Wirbeln erfaßt wird. Durch die Vorspannung wird auch ein Flattern der Folienelemente durch Erschütterungen, beispielsweise beim Start eines Flugzeugs von einer unebenen Piste, vermieden. Durch die Stärke der Vorspannung kann bestimmt werden, wie kräftig die Wirbel sein müssen, damit sich das Folienelement abspreizt.

Die genaue Dimensionierung des Folienelements hängt von der Dimensio­nierung des Flugzeuges und seiner Tragflügel ab und kann von einem Fachmann leicht für einen konkret gegebenen Tragflügel bestimmt werden. Indem jedoch durch den erfindungsgemäßen Tragflügel die Auftriebskraft auch bei geringer An­strömgeschwindigkeit erhöht wird, ergibt es sich, daß Start- und Landebah­nen kürzer gebaut werden können, da die für das Abheben erforderliche Startgeschwindigkeit geringer und die bei der Landung mögliche Ge­schwindigkeit kleiner ist. Diese geringeren Geschwindigkeiten haben auch einen geringeren Verschleiß des Fahrgestells und der Bereifung zur Folge. Nicht nur bei Start und Landung ist die verbesserte Auftriebskraft des Trag­flügels von Vorteil, sondern auch bei einem Abfangen von Fallwinden, bei denen kurzzeitig durch eine ungünstige Luftströmung der Auftrieb vermin­dert wird. Bei Segelbooten verbessert sich die Anströmung des Segels insbesondere auf Kursen Hart-am-Wind, so daß ein Ablösen der Luftströmung und ein dadurch erzeugtes, als Killen bezeichnetes Flattern des Segels im Bereich seiner Hinterkante vermieden oder zumindest vermindert wird. Wegen dieser verbesserten Strömungseigenschaften des Segels können daher Segelboote mit dem erfindungsgemäßen Segel höher am Wind laufen. Die erfindungsgemäßen Folienelementen sind insbesondere an einer Fock von Vorteil, da dieser – im Gegensatz zu einem Großsegel – kein strömungsleitend wirkendes Vorsegel zugeordnet ist und sie daher zu einem frühzeitigen Strömungsabriß neigt.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Trag­flügels weist das Folienelement im wesentlichen die Form eines länglichen Streifens auf. Die Verwendung einer länglichen Streifenform für das Fo­lienelement besitzt den Vorteil, daß das Folienelement eine vergleichsweise große Wirkungsfläche aufweist.

Zweckmäßigerweise ist das Folienelement mit seiner Längsseite im wesent­lichen parallel zur Hinterkante des Tragflügels angeordnet. Bei dieser An­ordnung des Folienelements wirkt das Folienelement ähnlich einer verstell­baren hinteren Flügelkante. Wenn die Anströmbedingungen es erfordern, bildet das Folienelement über seine Länge eine neue Abreißkante für die umströmende Luft.

Zweckmäßigerweise können mehrere Folienelement parallel zueinander auf dem Tragflügel angeordnet sein. Durch die parallele Anordnung der Fo­lienelemente wird stufenweise ein Wandern der Abreißkante entgegen der Anströmrichtung verhindert. Hierbei können sich die einzelnen Folienele­mente unterschiedlich weit von dem Tragflügel ablösen und sich so best­möglich an die Strömungsverhältnisse anpassen. Zweckmäßigerweise kön­nen die parallelen Folienelemente im wesentlichen die in Auftriebsrichtung weisende Seite des Tragflügels bedecken. Hierdurch entsteht ein Tragflügel mit Folienelementen, die parallel zueinander in Flü­gellängsrichtung ange­ordnet den Flügel fast vollständig bedecken. Ein Folienelement braucht nicht einstückig ausgeführt sein, es kann auch in mehrere Segmente unterteilt sein. Dadurch wird errreicht, daß Segmente der Folienelemente nur in den Bereichen abgespreizt sind, in denen kritische Strömungsbedingungen herrschen.

Zweckmäßigerweise besteht das Folienelement aus einem reißfesten Kunst­stoffmaterial. Vorzugsweise ist das Kunststoffmateriali mit einer geeigneten Armierung versehen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand nachfolgender Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig.1   eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragflügel bei normalen
              Anströmbedin­gungen.

Fig. 2  die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragflügel bei ungünstigen
          Anströmbedin­gungen.

Fig. 3  einen herkömmlichen Tragflügel bei den in Fig. 2 dargestellten un­günstigen
          Anströmbedingungen.

Fig. 4  die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragflügel in einer Draufsicht.

Fig. 5  eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragflügels in einer Draufsicht.

Fig. 6  die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragflügels in einem praktischen
          Anwendungsfall.

Fig. 1 zeigt als eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragflügels einen Flügel 1 im Querschnitt. Der Flügel 1 ist als ein etwa viereckiger Körper mit einer stirnseitigen Anströmkante 5 ausgebildet, dessen Erstreckung entlang der Anströmkante 5 größer ist als der Abstand zwischen Anströmkante 5 und seiner Hinterkante 6. Der Flügel 1 ist an seiner in Auftriebsrichtung weisenden Oberseite 3 stärker gewölbt als an seiner Unterseite 4. Damit weist er eine Querschnittsform auf, bei der die Dicke des Flügels 1 ausgehend von der Anströmkante 5 im vorderen Bereich ansteigt und im hinteren Bereich allmählich abnimmt. An der Anströmkante 5 wird der Luftstrom geteilt. Ein Teil des Luftstromes strömt entlang der Oberseite 3, der andere strömt entlang der Unterseite 4. An der Hinterkante 6 des Flügels 1 vereinigen sich die Luft­ströme. In einer vereinfachten Betrachtungsweise muß der über die Oberseite 3 strömende Luftstrom eine größere Strecke zurücklegen als der Luftstrom entlang der Unterseite, so daß er mit einer höheren Geschwindig­keit fließen muß. Die höhere Geschwindigkeit erzeugt einen niedrigeren Druck auf der Oberseite, so daß eine nach oben weisende Auftriebskraft ent­steht.

Auf der Oberseite 3 sind Folien 2 in dem Bereich angeordnet, in dem die Dicke des Flügels 1 wieder abnimmt. Sie sind mit ihrem in Strömungsrichtung weisenden Ende 9 an dem Flügel 1 befestigt; der mittlere und hintere Bereich der Folien 2 ist beweglich, so daß sie an die Oberseite 3 anlegbar oder von ihr abspreizbar sind. Mehrere Folien 2 sind parallel zueinander angeordnet und verlaufen im wesentlichen parallel zu der Hinterkante 6 des Flügels 1.

Bei ungünstigen Anströmbedingungen, wie sie beispielsweise in Fig. 2 und 3 dargestellt sind, löst sich die Grenzschicht der den Flügel 1 um­strömen­den Luft auf der Ober­seite ab. Der Ort, an dem sich die Grenzschicht ablöst, wird als Abreißkante bezeichnet und ist in Fig. 3 bei 7 eingezeichnet. Hinter der Abreißkante bilden sich Wirbel 8 aus, die nicht weiter zum Auf­trieb des Flügels 1 beitragen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Flügel 1 richten sich die Folien 2 auf und bewirken, daß bei ungünstigem Anströmwinkel und un­günstiger Anströmgeschwindigkeit eine Wirbelbildung in geringerem Maße stattfindet. Wie in Fig. 2 ersichtlich, findet ein Abreißen der Luftströ­mung erst am Ende der Folien 2 statt.

In Fig. 5 und 6 ist als zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tragflügels ein Segel 11 dargestellt. Das Segel 11 ist wie bei einer Kat-Takelung gebildet durch ein etwa viereckiges Stück Flachmaterial. Das Flachmaterial weist zwar eine gleichmäßige Dicke auf, ist jedoch gekrümmt und bildet auf diese Weise ein Profil, bei der die Sehne des Profils außerhalb des Materials des Segels 11 läuft. Das Segel 11 braucht nicht starr zu sein, sondern kann aus flexiblem Material wie Stoff bestehen. Ein bevorzugtes Material ist Segeltuch oder luftundurchlässiges und reißfestes Kunststoffmaterial, wie es insbesondere bei Surfsegeln verwendet wird.

Das Segel 11 ist mit seiner Vorderkante 15 an einem Mast 4 befestigt. In seinem mittleren und hinteren Drittel ist es mit Folien 12 versehen. Die Wirkungsweise der Folien 12 entspricht derjenigen der Folien 2 bei der ersten Ausführungsform.

Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist das Segel 11 jedoch auf beiden Seiten 13, 14 mit den Folien 12 versehen. Wirksam sind zwar in Fig. 5 nur die Folien 12 auf der Seite 13, jedoch kann das Segel 11 aufgrund seiner Formflexibilität bei Anströmung von der anderen Seite umschlagen, so daß es dann die in Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie 11‘ dargestellte Form aufweist. In diesem Fall sind die Folien 12 auf der Seite 14 wirksam.

Die Form des Segels 11 braucht nicht unbedingt viereckig zu sein, sie kann auch eine herkömmliche dreickige Gestalt aufweisen, wie sie insbesondere bei Segeln von slup-getakelten Booten üblich ist.

A n s p r ü c h e

1. Tragflügel, insbesondere ein Flugzeugflügel (1) oder ein Segel (11), an dem bei einem stirn­sei­tigen Anströmen (A)     eine Kraft mit einer Kraftkomponente in An­strömrich­tung und mit einer dazu senkrecht ste­henden     Kraftkompo­nente in Auf­triebsrichtung angreift, dadurch gekenn­zeichnet, daß auf seiner in Auf­triebsrichtung     weisenden Seite (13) mindestens ein flächiges, flexibles Folienelement (2, 12) angeordnet ist, das mit seinem     stirnseitigen Ende (9) abspreizbar an dem Tragflügel (1, 11) befestigt ist.

2. Tragflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Folienelements (2, 12) in Anströmrichtung     derart bemessen ist, daß das Fo­lienelement (2, 12) bei hoher Anströmgeschwindigkeit an der in Auftriebsrich­tung     weisenden Seite (13) anliegt und bei geringer werdender Anströmge­schwindigkeit sich von seiner Anlage an den     Tragflügel (1, 11) löst.

3. Tragflügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Folienelement (2, 12) im wesentlichen die Form     eines länglichen Streifens auf­weist.

4. Tragflügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fo­lienelement mit seiner Längskante im wesentlichen     parallel zur in An­strömrichtung hinten liegenden Kante angeordnet ist.

5. Tragflügel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß meh­rere Folienelemente (2, 12) parallel zueinander     angeordnet sind.

6. Tragflügel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Folienelement (2, 12) in mehrere     Segmente unterteilt ist.

7. Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Folienelement (2, 12) zum Tragflügel     hin vorgespannt ist.

8. Tragflügel nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fo­lienelement (2, 12) aus einem reißfesten     Kunststoffmaterial besteht.

Z e i c h n u n g e n :